JP6616615B2

JP6616615B2 - 水中燃焼式気化装置、水中燃焼式気化装置の運転方法、及び、水中燃焼式気化装置の設計方法

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Publication number: JP6616615B2
Application number: JP2015148934A
Authority: JP
Inventors: 仁延庄谷; 謙一和崎; 憲利矢川
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: JP2017032147A; KR20170013810A; KR102559409B1

Description

ここに開示する技術は、水中燃焼式気化装置、水中燃焼式気化装置の運転方法、及び、水中燃焼式気化装置の設計方法に関する。

液化天然ガスといった低温液化ガスの気化装置の一つとして、水中燃焼式気化装置（Submerged Combustion Vaporizer）が知られている（例えば特許文献１参照）。水中燃焼式気化装置は、水槽内に浸漬されかつ、伝熱管内を通過する低温液化ガスを気化させるように構成された熱交換器と、ブロワーから供給された空気及び燃料供給源から供給された燃料を混合して燃焼させるバーナーと、水槽内に浸漬されかつ、バーナーからの燃焼ガスを水槽内に導くダウンカマーと、水槽内でダウンカマーに接続されかつ、燃焼ガスを水槽内に噴出するよう構成された複数本のスパージパイプと、を備えている。

特許文献１に記載されている水中燃焼式気化装置では、バーナーは下向きに火炎を噴き出すように構成されている。ダウンカマーは、上端にバーナーが取り付けられると共に、その取付箇所から水槽の底に向かって垂直に延びる垂直管と、垂直管の下部に接続されかつ、水槽内で水平に延びる水平管と、を有している。複数本のスパージパイプは、水平管に沿うように、水平方向に並んで配置されかつ、各スパージパイプの基端が、水平管に接続されている。

水中燃焼式気化装置は、水中に気泡として噴出された燃料ガスが水槽内の水を攪拌しながら、伝熱管内を通過する低温液化ガスを加熱することによって、その低温液化ガスを気化させる。

特開２０１３−２７３４号公報

ところで近年、水中燃焼式気化装置のバーナーの容量（つまり、定格燃焼量）を大型化することが求められている。バーナーの大型化に伴い、ダウンカマーの垂直管内において定格燃焼量に見合う燃焼ガス量を確保することができるように、ダウンカマーの垂直管を大型化することが必要になる。しかしながら、垂直管の上下長さを長くすると、水槽の深さを深くしなければならない。底の深い水槽を設置することは、製造及び設置コストの増大を招く。また、水槽の深さを深くすると、水槽の容積が大きくなってしまう。水槽の容積が大きくなると熱容量が増大するため、水槽内の水の温度を上昇させるために必要な熱量が増大すると共に、水中燃焼式気化装置の起動時間が長くなる。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水中燃焼式気化装置の小型化を図ることにある。

これまでの水中燃焼式気化装置の設計思想では、バーナーに直接接続されるダウンカマーの垂直管内において、バーナーの燃焼を完結させることを前提としていた。そのため、バーナーの容量が大きくなると、その大きくなった容量に見合うだけの燃焼ガス量が垂直管内において確保できるように、垂直管の容積を大きくしていた。また、バーナーから噴き出す火炎の全長を垂直管内に収めようとすると、バーナーの容量が大きくなるほど、垂直管の上下方向の長さは長くなる。

しかしながら、本願発明者等の検討によると、バーナーから下向きに噴き出す火炎が、垂直管内の下部において折れ曲がるようになって、火炎の先端側の一部が、垂直管に接続された水平管内に至るようなときでも、バーナーの燃焼が安定化することが判明した。ここに開示する技術は、この新たな知見が得られたことにより完成するに至った。

具体的に、ここに開示する技術は、水中燃焼式気化装置に係り、水中燃焼式気化装置は、水槽内に浸漬されかつ、内部を通過する低温液化ガスを気化させるように構成された熱交換器と、ブロワーから供給された空気及び燃料供給源から供給された燃料を混合して燃焼させるよう構成されたバーナーと、前記水槽内に浸漬されかつ、前記バーナーからの燃焼ガスを前記水槽内に導くよう構成されたダウンカマーと、前記水槽内で前記ダウンカマーに接続されかつ、前記燃焼ガスを前記水槽内に噴出するよう構成された複数本のスパージパイプと、を備える。

前記ダウンカマーは、下向きに火炎を噴き出すよう構成された前記バーナーが上端に取り付けられると共に、その取付箇所から前記水槽の底に向かって垂直に延びるよう構成された垂直管と、前記垂直管の下部に接続されかつ、前記水槽内で水平に延びるよう構成された水平管と、を有している。

そして、前記ダウンカマーは、定格燃焼量での運転時に前記バーナーの噴出口から噴き出した火炎が、ダウンカマー内での追加の燃料供給なしに、前記垂直管内で区画される垂直燃焼領域から、前記水平管内で区画される水平燃焼領域まで延びるように構成されている。

この構成によると、バーナーから噴き出した火炎は、垂直管内を下向きに延びると共に、垂直管の下部において曲がって、垂直管に接続された水平管内に至る。つまり、バーナーから噴き出した火炎の一部は、垂直管内において区画される垂直燃焼領域にあり、残りの部分は、水平管内において区画される水平燃焼領域にある。バーナーの燃焼は、垂直管内において完結せず、垂直管と水平管との両方において行われる。バーナーの火炎の先端部分が水平管内の水平燃焼領域にあるため、その分、垂直管の上下長さを短くすることが可能になる。垂直管の上下長さを短くすることにより、水槽の深さを浅くすることが可能になるため、製造及び設置コストが低くなる。また、水槽の容積が小さくなるため、水槽内の水の温度を上昇させるために必要な熱量が減少すると共に、水中燃焼式気化装置の起動時間が短くなる。

前記複数本のスパージパイプは、前記水平管に沿うように、水平方向に並んで配置され、前記垂直管内の下部及び前記水平管内の下部には、前記バーナーの運転時において、水が溜まっており、前記垂直燃焼領域は、前記バーナーの前記噴出口から前記垂直管内の水面までの領域であり、前記水平燃焼領域は、前記水平管内の水面よりも上でかつ、前記垂直管と前記水平管との接続位置から前記垂直管に最も近い前記スパージパイプの接続位置までの領域であり、前記ダウンカマーは、前記垂直燃焼領域の上下高さが、定格燃焼量での運転時に前記バーナーから噴き出した火炎の全長よりも短くかつ、前記垂直燃焼領域の上下高さと前記バーナーの中心軸から前記水平燃焼領域の端までの水平長さとの和が、前記火炎の全長よりも長くなるように構成されている、としてもよい。

本願発明者等の知見によると、バーナーの運転時において、ダウンカマー内の水は全て排出されずに、一部の水が垂直管内及び水平管内に残る。残った水は垂直管内及び水平管内の下部に溜まる。バーナーの火炎の燃焼領域は、垂直管内及び水平管内における水面よりも上側に区画される。具体的に、垂直管内の垂直燃焼領域は、バーナーの噴出口から垂直管内の水面までの領域である。

これまでの設計思想は、前述の通り、ダウンカマーの垂直管内においてバーナーの燃焼が完結するよう、垂直管の長さを設定するが、垂直管内の下部に水が溜まる分、火炎の実質的な燃焼領域は小さくなるため、垂直管の長さをさらに長くしなければならない。

これに対し、ここに開示する新たな設計思想は、水平管内の一部を火炎の燃焼領域としている。水平管内の水平燃焼領域は、水平管内の水面よりも上でかつ、垂直管と水平管との接続位置から垂直管に最も近いスパージパイプの接続位置までの領域である。水平燃焼領域を形成することにより、垂直管内における実質的な燃焼領域を確保しながら、垂直管の長さを、従来の設計思想で設計した場合よりも短くすることが可能である。

新たな設計思想は言い換えると、バーナーの運転時においても垂直管内及び水平管内に水が溜まるという前提で、水平管内の一部が火炎の燃焼領域となるように、垂直管、水平管、及びスパージパイプの長さや径、並びに、それらの取り付け寸法を設定することである。つまり、垂直管、水平管、及びスパージパイプの長さや径、並びに、それらの取り付け寸法によっては、水平管内に火炎の燃焼領域を十分に形成することができない場合も起こり得る。その場合は、垂直管内においてのみ、バーナーの燃焼が行われることになる。結果として垂直管が大型化してしまう。

前記の構成では、水平管内に水平燃焼領域が形成されるようにした上で、垂直燃焼領域の上下高さを、定格燃焼量での運転時にバーナーから噴き出した火炎の全長よりも短くする。これにより、火炎は、垂直燃焼領域内に収まらずに、火炎の先端部分は、水平燃焼領域内に位置するようになる。

また、垂直燃焼領域の上下高さとバーナーの中心軸から水平燃焼領域の端までの水平長さとの和を、火炎の全長よりも長くする。つまり、バーナーから噴き出した火炎は、垂直管内から、水平管内において垂直管に最も近いスパージパイプの接続位置までの範囲に収まる。

こうすることで、垂直管の上下方向の長さを短くしても、水平燃焼領域を利用して、バーナーの燃焼が安定化する。

尚、火炎の全長は、バーナーの燃焼試験を行うことによって決定することが可能である。例えばテストプラントにおいて、バーナーから噴き出す火炎の先端位置を観察することによって、火炎の全長を決定してもよい。火炎の先端位置は、例えば時間平均５０％で火炎が存在する位置を、火炎の先端位置と定めてもよい。

前記バーナーから噴き出した火炎の過半は、前記垂直燃焼領域内にある、とすることが好ましい。

前述したように、垂直燃焼領域の下端は、垂直管内の水面によって区画される。また、水平燃焼領域の下側も、水平管内の水面によって区画される。垂直管内及び水平管内の水面近くでは、火炎が水によって冷やされるようになり、燃焼温度の低下を招く。燃焼温度の低下は、排気ガス中の一酸化炭素を増やす。本願発明者等の知見によると、バーナーから噴き出した火炎において、バーナーの噴出口から所定の距離だけ離れた火炎の中間部分が、燃焼反応が最も顕著になって、最高温度となる部分である。この中間部分が、垂直管内の水面によって冷やされると燃焼温度が大きく低下し、一酸化炭素が多量に発生する。

また、最高温度となる中間部分が垂直管内の水面近くに位置すると、バーナーから噴き出した火炎の全長に対し、水によって冷やされる虞のある部分の割合が増えることにもなる。つまり、垂直燃焼領域における燃焼が少なくなり、水平燃焼領域における燃焼が多くなると、排気ガス中の一酸化炭素が増大する。

そこで、バーナーから噴き出した火炎の過半は、垂直燃焼領域内にあるようにすることが好ましい。こうすることで、排気ガス中の一酸化炭素を低減することが可能になる。

ここに開示する技術はまた、水槽内に浸漬されかつ、内部を通過する低温液化ガスを気化させるように構成された熱交換器と、ブロワーから供給された空気及び燃料供給源から供給された燃料を混合して燃焼させるよう構成されたバーナーと、前記水槽内に浸漬されかつ、前記バーナーからの燃焼ガスを前記水槽内に導くよう構成されたダウンカマーと、前記水槽内で前記ダウンカマーに接続されかつ、前記燃焼ガスを前記水槽内に噴出するよう構成された複数本のスパージパイプと、を備えた水中燃焼式気化装置の運転方法である。

前記ダウンカマーは、下向きに火炎を噴き出すよう構成された前記バーナーが上端に取り付けられると共に、その取付箇所から前記水槽の底に向かって垂直に延びるよう構成された垂直管と、前記垂直管の下部に接続されかつ、前記水槽内で水平に延びるよう構成された水平管と、を有し、前記バーナーの運転時において、前記垂直管内及び前記水平管内の下部には、水が溜まっている。

この運転方法では、前記バーナーの噴出口から噴き出した火炎が、ダウンカマー内での追加の燃料供給なしに、前記垂直管内の水面よりも上に区画される垂直燃焼領域から、前記水平管内の水面よりも上に区画される水平燃焼領域まで延びるように前記バーナーを運転する。こうすることで、小型化したダウンカマーにおいて、バーナーの燃焼が安定化する。

また、水中燃焼式気化装置の運転方法において、前記バーナーから噴き出した火炎の過半が、前記垂直燃焼領域内にあるように、前記バーナーを運転する、ことが好ましい。こうすることで、排気ガス中の一酸化炭素が低減する。

ここに開示する技術はさらに、水槽内に浸漬されかつ、内部を通過する低温液化ガスを気化させるように構成された熱交換器と、ブロワーから供給された空気及び燃料供給源から供給された燃料を混合して燃焼させるよう構成されたバーナーと、前記水槽内に浸漬されかつ、前記バーナーからの燃焼ガスを前記水槽内に導くよう構成されたダウンカマーと、前記水槽内で前記ダウンカマーに接続されかつ、前記燃焼ガスを前記水槽内に噴出するよう構成された複数本のスパージパイプと、を備えた水中燃焼式気化装置の設計方法である。

前記ダウンカマーは、下向きに火炎を噴き出すよう構成された前記バーナーが上端に取り付けられると共に、その取付箇所から前記水槽の底に向かって垂直に延びるよう構成された垂直管と、前記垂直管の下部に接続されかつ、前記水槽内で水平に延びるよう構成された水平管と、を有し、前記複数本のスパージパイプは、前記水平管に沿うように、水平方向に並んで配置される。

前記垂直管内において、前記バーナーの噴出口から前記スパージパイプの高さ位置に相当する位置までの領域である垂直燃焼領域が規定されかつ、前記水平管内において、前記スパージパイプの高さ位置に相当する位置よりも上でかつ、前記垂直管と前記水平管との接続位置から前記垂直管に最も近い前記スパージパイプの接続位置までの領域である水平燃焼領域とが規定される。

この設計方法は、定格燃焼量での運転時に前記バーナーから噴き出す火炎の長さに基づいて、前記垂直燃焼領域の上下高さを設定する工程と、定格燃焼量での運転時に前記バーナーから噴き出す火炎の長さに基づいて、前記水平燃焼領域の水平長さを設定する工程と、を備え、前記垂直燃焼領域の上下高さ及び前記水平燃焼領域の水平長さは、火炎が、ダウンカマー内での追加の燃料供給なしに、前記垂直管内で区画される垂直燃焼領域から、前記水平管内で区画される水平燃焼領域まで延びるように、設定する。

この設計方法によれば、バーナーから噴き出す火炎の長さに着目し、垂直管内の垂直燃焼領域の上下高さと、水平管内の水平燃焼領域の水平長さとを設定する。つまり、バーナーから噴き出した火炎が、垂直管内において区画される垂直燃焼領域から、水平管内において区画される水平燃焼領域まで延びるように、垂直燃焼領域の上下高さと水平燃焼領域の水平長さとを設定する。こうすることで、バーナーの燃焼を安定化しつつ、垂直管の上下方向の長さを、短くすることが可能になる。

前記水中燃焼式気化装置の設計方法は、前記垂直燃焼領域の上下高さ、及び、前記水平燃焼領域の水平長さを設定した後、前記バーナーの定格燃焼量に基づいて、前記垂直燃焼領域の容積及び前記水平燃焼領域の容積が所定の容積を満足するように、前記垂直管の長さ及び径、並びに、前記水平管の長さ及び径を設定する工程をさらに備えている、としてもよい。

バーナーの燃焼の安定化には、バーナーの容量に応じた燃焼ガス量が、ダウンカマー内で確保可能となるように、ダウンカマーの容積を確保することが望ましい。バーナーの定格燃焼量に基づいて、火炎が存在する垂直燃焼領域の容積及び水平燃焼領域の容積が所定の容積を満足するように、設定された垂直燃焼領域の上下高さ、及び、前記水平燃焼領域の水平長さから、垂直管の長さ及び径、並びに、水平管の長さ及び径を設定する。このことによって、バーナーの燃焼の安定化が図られる。

以上説明したように、前記の水中燃焼式気化装置によると、バーナーの燃焼を安定化しながら、水中燃焼式気化装置の小型化を図ることが可能になる。

前記の水中燃焼式気化装置の運転方法によると、垂直管の上下長さが短くても、バーナーの燃焼が安定化する。

前記の水中燃焼式気化装置の設計方法によると、バーナーの燃焼を安定化することを実現しつつ、水中燃焼式気化装置が小型化し、製造及び設置コストの低減、並びに、水中燃焼式気化装置の省エネ化及び起動時間の短縮が可能になる。

水中燃焼式気化装置の構成を概念的に示す図である。ダウンカマーの寸法関係を説明する図である。ダウンカマーの寸法パラメータＨ／Ｌと、排気ガス中の一酸化炭素量との関係を示す図である。

以下、水中燃焼式気化装置、水中燃焼式気化装置の運転方法、及び、水中燃焼式気化装置の設計方法について、図を参照しながら説明する。尚、以下の説明は例示である。

（水中燃焼式気化装置の全体構成）
図１は、水中燃焼式気化装置１全体の構成を概念的に示している。図２は、水中燃焼式気化装置１のダウンカマー１３の構成を示している。この水中燃焼式気化装置１は、液化天然ガス（ＬＮＧ）の気化装置である。水中燃焼式気化装置１は、例えば直方体状の水槽１１に浸漬される熱交換器１２を備えている。熱交換器１２は、ＬＮＧの流路となる多数の伝熱管１２ａが多段に曲げ成形されて構成されている。図１では、伝熱管１２ａは、簡易化して図示しているが、実際には、図１の紙面に直交する方向に多数列の伝熱管１２ａを配置している。熱交換器１２の一端は、ＬＮＧの入口となるＬＮＧ導入管１２ｂに連通している。熱交換器１２の他端は、気化した天然ガス（ＮＧ）を排出させるＮＧ排出管１２ｃに連通している。

水槽１１には、ダウンカマー１３が浸漬している。ダウンカマー１３は、水槽１１の上端部から底に向かって上下方向に延びる垂直管１３１と、垂直管１３１の下端部に接続されかつ、水槽１１内の底部において水平方向（図１における紙面に直交する方向、図２も参照）に延びる水平管１３２とを備えている。ダウンカマー１３の構成については、後で詳述する。

垂直管１３１の上端には、バーナー２が取り付けられている。バーナー２は、図外の燃料供給源から燃料供給管６を介して供給された燃料ガスとブロワー１４を通じて供給された空気とを混合して燃焼させる。ダウンカマー１３は、バーナー２からの燃焼ガスを水槽１１内に導く。

水槽１１の底部には、スパージパイプ１５が配置されている。スパージパイプ１５は、熱交換器１２の下側に配設されている。スパージパイプ１５は、図１では１本しか描いていないが、実際には、図２に示すように、水平管１３２に沿うように、水平方向に複数本並べられている。各スパージパイプ１５の基端は、水平管１３２に接続されている。スパージパイプ１５には、バーナー２の燃焼ガスを水中に噴出する多数の小孔１５ａが形成されている。

水槽１１の上端開口は、天板１１ａによって覆われている。天板１１ａには、スタック１６が設けられている。スタック１６の上端は大気に開放されている。水中に噴き出した燃焼ガスは、スタック１６を通じて排気される。

水中燃焼式気化装置１は、バーナー２の燃焼ガスをスパージパイプ１５の小孔１５ａを通じて水槽１１内に気泡Ｂとして噴出させる。このことによって、水槽１１内の水を撹拌しつつ、熱交換器１２内を通過するＬＮＧを加熱する。水中燃焼式気化装置１は、ＬＮＧを気化させてＮＧとし、ＮＧを、ＮＧ排出管１２ｃを通じて送り出すように構成されている。水中燃焼式気化装置１は、燃焼ガスを気泡Ｂとして水槽１１内に噴出して水槽１１内の水を撹拌すること、及び、スタック１６から排出する排気ガスの温度を、水槽１１内の温水温度とほぼ同じ温度にまで低くすることにより、燃焼ガス中の燃焼生成水を１００％再凝縮させ、その潜熱を全て温水に与えることが可能であることから熱効率が極めて高いという特徴がある。

この水中燃焼式気化装置１は、バーナー２の容量が大きくても、小型化するように設計されている。以下、ダウンカマーの構成、及び、ダウンカマーの設計方法の詳細を、図面を参照しながら説明する。

（ダウンカマーの構成、及び、ダウンカマーの設計方法）
図２は、前述したように、水中燃焼式気化装置１のダウンカマー１３の構成を示す図である。ダウンカマー１３は、垂直管１３１と水平管１３２とを備えている。垂直管１３１は円筒状である。水平管１３２もまた円筒状である。これまでの水中燃焼式気化装置の設計思想では、バーナー２に直接接続される垂直管１３１内において、バーナー２の燃焼を完結させるようにしていた。具体的には、バーナー２の容量に見合うだけの燃焼ガス量が垂直管１３１内において確保できるように、垂直管１３１の容積を設定し、その容積を満足するように、垂直管１３１の径、及び、上下方向の長さを設定していた。従って、バーナー２の容量が大きくなると、その大きくなった容量に見合うだけの燃焼ガス量が垂直管１３１内において確保できるように、垂直管１３１の容積を大きくしていた。結果として、垂直管１３１の上下方向の長さが長くなっていた。垂直管１３１の上下方向の長さが長くなると、水槽１１を深くしなければならない。この場合、水槽１１の製造及び設置コストが増大する。また、水槽１１の容積が大きくなるため、水槽１１の熱容量が大きくなる。このため、水の温度を上昇させるために必要な熱量が増大すると共に、水中燃焼式気化装置１の起動時間が長くなる。

これに対し、ここに開示する新たな設計思想は、例えば図２に概念的に示すように、バーナー２から噴き出す火炎が、垂直管１３１の下端部において曲がって、火炎の先端側の一部が、水平管１３２内にあるようなときでも、バーナー２の燃焼が安定化するという、本願発明者等が得た新たな知見に基づく。つまり、新たな設計思想では、バーナー２の燃焼を垂直管１３１内において完結させるのではない。

具体的に、ここに開示する新たな設計思想は、これまでの設計思想では考慮していなかった、バーナー２から噴き出す火炎の長さＬを考慮する。長さＬは、バーナー２を、定格燃焼量で運転しているときの、火炎の長さである。火炎の長さＬは、例えばバーナー２の燃焼試験によって決定することが可能である。また、理論的な演算によって、火炎の長さＬを決定してもよい。火炎の長さＬが、ダウンカマー１３内に区画される燃焼領域内に収まるように、ダウンカマー１３の垂直管１３１及び水平管１３２の寸法を設定する。

ダウンカマー１３内の燃焼領域は、新たな設計思想では、垂直管１３１内の垂直燃焼領域１３１ａと、水平管１３２内の水平燃焼領域１３２ａとから構成される。本願発明者等のこれまでの知見から、バーナー２の運転時においても、垂直管１３１内及び水平管１３２内の水は全て吐き出されずに、一部の水が垂直管１３１内及び水平管１３２内に残っている。これにより、垂直管１３１内及び水平管１３２内には、水槽１１の水面ＷＬ_１とは異なる、水面ＷＬ_２が形成される。水面ＷＬ_２は、これまでの知見では、スパージパイプ１５の高さ位置に、ほぼ相当する。そこで、図２の例では、水面ＷＬ_２をスパージパイプ１５の中心軸の高さ位置としている。

垂直管１３１内の垂直燃焼領域１３１ａは、バーナー２の火炎の噴出口（言い換えると、垂直管１３１の上端）から、垂直管１３１内の水面ＷＬ_２までの領域である（図２のハッチングを付した領域を参照）。また、水平管１３２内の水平燃焼領域１３２ａは、水平管１３２内の水面ＷＬ_２よりも上側でかつ、水平管１３２と垂直管１３１との接続位置から、垂直管１３１に最も近いスパージパイプ１５の接続位置までの領域である（図２のハッチングを付した領域を参照）。垂直管１３１に最も近いスパージパイプ１５以降の水平管１３２の箇所、つまり、水平管１３２において複数本のスパージパイプ１５が接続された箇所は、燃焼ガスを排出する箇所であるため、火炎の燃焼領域を構成しない。尚、スパージパイプ１５の接続位置は、ここでは、スパージパイプ１５の中心位置としている。

ここに開示する新たな設計思想では、垂直燃焼領域１３１ａの上下の高さＨが、バーナー２の火炎の長さＬよりも短くなるように（つまり、Ｈ／Ｌ＜１）、垂直燃焼領域１３１ａの上下の高さＨ、ひいては垂直管１３１の上下長さを設定する。こうすることで、バーナー２から下向きに噴き出した火炎が、垂直管１３１の下部において曲がるようになって、火炎の先端部が水平燃焼領域１３２ａに至るようになる。垂直燃焼領域１３１ａの上下の高さＨは、バーナー２の容量に対して短めになるため、垂直管１３１の上下長さが短くなる。

また、垂直燃焼領域１３１ａの上下高さＨとバーナー２の中心軸から水平燃焼領域１３２ａの端までの水平長さＬ_２との和（Ｈ＋Ｌ_２＝Ｌ_１）が、火炎の全長Ｌよりも長くなるように（つまり、１＜Ｌ_１／Ｌ）、水平長さＬ _２を設定する。こうすることで、火炎の全体が、垂直燃焼領域１３１ａ及び水平燃焼領域１３２ａ内に収まるようになり、バーナー２の燃焼の安定化が図られる。

ここに開示する新たな設計思想では、前述した火炎の全長Ｌに基づいて、上下高さＨ及び水平長さＬ _２を設定した後、バーナー２の定格燃焼量Ｑに基づいて、垂直燃焼領域１３１ａの容積Ｖ_１及び水平燃焼領域１３２ａの容積Ｖ_２をそれぞれ設定する。具体的には、Ｑ／Ｖ_１が所定値Ｔ_１以下となるように、垂直燃焼領域１３１ａの容積Ｖ_１を設定する。また、Ｑ／（Ｖ_１＋Ｖ_２）が所定値Ｔ_２以下となるように、水平燃焼領域１３２ａの容積Ｖ_２を設定する。つまり、垂直燃焼領域１３１ａ及び水平燃焼領域１３２ａの容積を、バーナー２の燃焼に必要な燃焼ガス量が確保できる程度に大きくする。こうすることで、バーナー２の燃焼の安定化が図られる。上下高さＨ及び水平長さＬ _２、並びに、容積Ｖ_１及び、容積Ｖ_２により、垂直管１３１の長さ及び径、並びに、水平管１３２の長さ及び径が設定される。

この新たな設計思想は、バーナー２の運転時においても水平管１３２内に水が溜まるという前提で、水平管１３２内の一部に、火炎の燃焼領域が形成されるように、垂直管１３１、水平管１３２及びスパージパイプ１５の長さや径を設定すると共に、それらの取り付け寸法を設定する、ということができる。

図３は、前述した垂直燃焼領域１３１ａの上下高さＨと、バーナー２から噴き出す火炎の全長Ｌとを含む、ダウンカマー１３の寸法パラメータＨ／Ｌと、排気ガス中に含まれる一酸化炭素量との関係を示している。図３における各プロット点は、排気ガス中の酸素濃度の実測値から換算した一酸化炭素量である。曲線は、各プロット点に基づく近似曲線である。尚、各プロット点において、排気ガス中の窒素酸化物量（つまり、排気ガス中の酸素濃度の実測値から換算した窒素酸化物量）は全て同じである。

寸法パラメータＨ／Ｌが小さいほど、垂直燃焼領域１３１ａの上下高さＨが低くなるため、バーナー２から噴き出す火炎の全体に対して、垂直燃焼領域１３１ａ内にある部分の割合が小さくなり、水平燃焼領域１３２ａ内にある部分の割合が大きくなる。逆に、寸法パラメータＨ／Ｌが大きいほど、垂直燃焼領域１３１ａの上下高さＨが高くなるため、バーナー２から噴き出す火炎の全体に対して、垂直燃焼領域１３１ａ内にある部分の割合が大きくなり、水平燃焼領域１３２ａ内にある部分の割合が小さくなる。図３から明らかなように、寸法パラメータＨ／Ｌが小さいと、排気ガス中の一酸化炭素量が増大し、寸法パラメータＨ／Ｌが大きいと、排気ガス中の一酸化炭素量が減少する。また、本願発明者等の知見によると、バーナー２から噴き出した火炎において、バーナー２の噴出口から所定の距離だけ離れた火炎の中間部分が、燃焼反応が最も顕著になって、最高温度となる部分であり、この中間部分が、垂直管１３１内の水面によって冷やされると燃焼温度が大きく低下し、一酸化炭素が多量に発生してしまう。寸法パラメータＨ／Ｌが小さいと、最高温度となる中間部分が、垂直管１３１内の水面に近づくことになるため、このこともまた、排気ガス中の一酸化炭素量の増大を招く。

図３における一点鎖線は、排気ガス中の一酸化炭素量の基準値である。排気ガス中の一酸化炭素量を減らす上では、１未満の範囲で寸法パラメータＨ／Ｌを大きくすることが好ましい。

これは、垂直燃焼領域１３１ａの下面及び水平燃焼領域１３２ａの下面はそれぞれ、水面ＷＬ_２によって区画されており、この付近では火炎が水によって冷やされる結果、燃焼温度が低下して一酸化炭素が増えるためと考えられる。寸法パラメータＨ／Ｌが小さくてバーナー２から噴き出す火炎の全体に対して、垂直燃焼領域１３１ａ内にある部分の割合が小さくなり、水平燃焼領域１３２ａ内にある部分の割合が大きくなると、火炎の全体に対し、水によって冷やされる範囲が大きくなるため、排気ガス中の一酸化炭素が増える。

従って、新たな設計思想によって、垂直燃焼領域１３１ａの上下高さＨを短くすることができるとしても、上下高さＨが短すぎることは好ましくない。バーナー２から噴き出した火炎の過半は、垂直燃焼領域１３１ａ内にあることが好ましい。排気ガス中の一酸化炭素量を十分に少なくするためには、寸法パラメータＨ／Ｌは０．６以上とすることが好ましく、より好ましくは０．７以上である。

（まとめ）
以上説明したように、ここに開示する水中燃焼式気化装置１は、バーナー２から噴き出した火炎が、垂直管１３１内において区画される垂直燃焼領域１３１ａから、水平管１３２内において区画される水平燃焼領域１３２ａまで延びるように、ダウンカマー１３が構成されている。

つまり、ダウンカマー１３は、垂直燃焼領域１３１ａの上下高さＨが、定格燃焼量での運転時にバーナー２から噴き出した火炎の全長Ｌよりも短くかつ、垂直燃焼領域１３１ａの上下高さＨとバーナー２の中心軸から水平燃焼領域１３２ａの端までの水平長さＬ_２との和Ｌ_１が、火炎の全長Ｌよりも長くなるように構成されている。

このことを言い換えると、ここに開示する水中燃焼式気化装置１の運転方法では、バーナー２から噴き出した火炎が、垂直管１３１内において区画される垂直燃焼領域１３１ａから、水平管１３２内において区画される水平燃焼領域１３２ａまで延びるように、バーナー２を運転する。

これらの構成により、バーナー２の燃焼が安定化する一方で、垂直管１３１の上下長さを短くすることが可能になる。垂直管１３１の上下長さを短くすることにより、水槽１１の深さを浅くすることが可能になるため、製造及び設置コストが低くなる。また、水槽１１の容積が小さくなるため、水槽１１内の水の温度を上昇させるために必要な熱量が減少すると共に、水中燃焼式気化装置１の起動時間が短くなる。

バーナー２から噴き出した火炎の過半が、垂直燃焼領域１３１ａ内にあるようにすれば、排気ガス中の一酸化炭素を低減することが可能になる。

また、ここに開示する水中燃焼式気化装置の設計方法は、定格燃焼量での運転時にバーナー２から噴き出す火炎の長さＬに基づいて、垂直燃焼領域１３１ａの上下高さＨを設定する工程と、定格燃焼量での運転時にバーナー２から噴き出す火炎の長さＬに基づいて、水平燃焼領域１３２ａの水平長さを設定する工程と、を備えている。

バーナー２から噴き出す火炎の長さＬを考慮して、ダウンカマー１３の寸法を設定することにより、バーナー２の燃焼の安定化を確保しながら、ダウンカマー１３の小型化を図ることが可能になる。

また、垂直燃焼領域１３１ａの上下高さ、及び、水平燃焼領域１３２ａの水平長さを設定した後、バーナー２の定格燃焼量に基づいて、垂直燃焼領域１３１ａの容積Ｖ_１及び水平燃焼領域１３２ａの容積Ｖ_２が所定の容積を満足するように、垂直管１３１の長さ及び径、並びに、水平管１３２の長さ及び径を設定する工程をさらに備えるようにすれば、バーナー２の燃焼をさらに安定化することができる。

１水中燃焼式気化装置
１１水槽
１２熱交換器
１３ダウンカマー
１３１垂直管
１３１ａ垂直燃焼領域
１３２水平管
１３２ａ水平燃焼領域
１４ブロワー
１５スパージパイプ
２バーナー
２１噴出口

Claims

水槽内に浸漬されかつ、内部を通過する低温液化ガスを気化させるように構成された熱交換器と、
ブロワーから供給された空気及び燃料供給源から供給された燃料を混合して燃焼させるよう構成されたバーナーと、
前記水槽内に浸漬されかつ、前記バーナーからの燃焼ガスを前記水槽内に導くよう構成されたダウンカマーと、
前記水槽内で前記ダウンカマーに接続されかつ、前記燃焼ガスを前記水槽内に噴出するよう構成された複数本のスパージパイプと、を備え、
前記ダウンカマーは、下向きに火炎を噴き出すよう構成された前記バーナーが上端に取り付けられると共に、その取付箇所から前記水槽の底に向かって垂直に延びるよう構成された垂直管と、前記垂直管の下部に接続されかつ、前記水槽内で水平に延びるよう構成された水平管と、を有していて、定格燃焼量での運転時に前記バーナーの噴出口から噴き出した火炎が、ダウンカマー内での追加の燃料供給なしに、前記垂直管内で区画される垂直燃焼領域から、前記水平管内で区画される水平燃焼領域まで延びるように構成されている水中燃焼式気化装置。
請求項１に記載の水中燃焼式気化装置において、
前記複数本のスパージパイプは、前記水平管に沿うように、水平方向に並んで配置され、
前記垂直管内の下部及び前記水平管内の下部には、前記バーナーの運転時において、水が溜まっており、
前記垂直燃焼領域は、前記バーナーの前記噴出口から前記垂直管内の水面までの領域であり、前記水平燃焼領域は、前記水平管内の水面よりも上でかつ、前記垂直管と前記水平管との接続位置から前記垂直管に最も近い前記スパージパイプの接続位置までの領域であり、
前記ダウンカマーは、前記垂直燃焼領域の上下高さが、定格燃焼量での運転時に前記バーナーから噴き出した火炎の全長よりも短くかつ、前記垂直燃焼領域の上下高さと前記バーナーの中心軸から前記水平燃焼領域の端までの水平長さとの和が、前記火炎の全長よりも長くなるように構成されている水中燃焼式気化装置。
請求項１又は２に記載の水中燃焼式気化装置において、
前記バーナーから噴き出した火炎の過半は、前記垂直燃焼領域内にある水中燃焼式気化装置。
水槽内に浸漬されかつ、内部を通過する低温液化ガスを気化させるように構成された熱交換器と、
ブロワーから供給された空気及び燃料供給源から供給された燃料を混合して燃焼させるよう構成されたバーナーと、
前記水槽内に浸漬されかつ、前記バーナーからの燃焼ガスを前記水槽内に導くよう構成されたダウンカマーと、
前記水槽内で前記ダウンカマーに接続されかつ、前記燃焼ガスを前記水槽内に噴出するよう構成された複数本のスパージパイプと、を備えた水中燃焼式気化装置の運転方法であって、
前記ダウンカマーは、下向きに火炎を噴き出すよう構成された前記バーナーが上端に取り付けられると共に、その取付箇所から前記水槽の底に向かって垂直に延びるよう構成された垂直管と、前記垂直管の下部に接続されかつ、前記水槽内で水平に延びるよう構成された水平管と、を有し、
前記バーナーの運転時において、前記垂直管内及び前記水平管内の下部には、水が溜まっており、
前記バーナーの噴出口から噴き出した火炎が、ダウンカマー内での追加の燃料供給なしに、前記垂直管内の水面よりも上に区画される垂直燃焼領域から、前記水平管内の水面よりも上に区画される水平燃焼領域まで延びるように前記バーナーを運転する水中燃焼式気化装置の運転方法。
請求項４に記載の水中燃焼式気化装置の運転方法において、
前記バーナーから噴き出した火炎の過半が、前記垂直燃焼領域内にあるように、前記バーナーを運転する水中燃焼式気化装置の運転方法。
水槽内に浸漬されかつ、内部を通過する低温液化ガスを気化させるように構成された熱交換器と、
ブロワーから供給された空気及び燃料供給源から供給された燃料を混合して燃焼させるよう構成されたバーナーと、
前記水槽内に浸漬されかつ、前記バーナーからの燃焼ガスを前記水槽内に導くよう構成されたダウンカマーと、
前記水槽内で前記ダウンカマーに接続されかつ、前記燃焼ガスを前記水槽内に噴出するよう構成された複数本のスパージパイプと、を備えた水中燃焼式気化装置の設計方法であって、
前記ダウンカマーは、下向きに火炎を噴き出すよう構成された前記バーナーが上端に取り付けられると共に、その取付箇所から前記水槽の底に向かって垂直に延びるよう構成された垂直管と、前記垂直管の下部に接続されかつ、前記水槽内で水平に延びるよう構成された水平管と、を有し、
前記複数本のスパージパイプは、前記水平管に沿うように、水平方向に並んで配置され、
前記垂直管内において、前記バーナーの噴出口から前記スパージパイプの高さ位置に相当する位置までの領域である垂直燃焼領域が規定されかつ、前記水平管内において、前記スパージパイプの高さ位置に相当する位置よりも上でかつ、前記垂直管と前記水平管との接続位置から前記垂直管に最も近い前記スパージパイプの接続位置までの領域である水平燃焼領域とが規定され、
定格燃焼量での運転時に前記バーナーから噴き出す火炎の長さに基づいて、前記垂直燃焼領域の上下高さを設定する工程と、
定格燃焼量での運転時に前記バーナーから噴き出す火炎の長さに基づいて、前記水平燃焼領域の水平長さを設定する工程と、を備え、
前記垂直燃焼領域の上下高さ及び前記水平燃焼領域の水平長さは、火炎が、ダウンカマー内での追加の燃料供給なしに、前記垂直管内で区画される垂直燃焼領域から、前記水平管内で区画される水平燃焼領域まで延びるように、設定する水中燃焼式気化装置の設計方法。
請求項６に記載の水中燃焼式気化装置の設計方法において、
前記垂直燃焼領域の上下高さ、及び、前記水平燃焼領域の水平長さを設定した後、前記バーナーの定格燃焼量に基づいて、前記垂直燃焼領域の容積及び前記水平燃焼領域の容積が所定の容積を満足するように、前記垂直管の長さ及び径、並びに、前記水平管の長さ及び径を設定する工程をさらに備えている水中燃焼式気化装置の設計方法。